核與非核聯(lián)用推動新農(nóng)藥邁入精準安評新時代
——記浙江大學(xué)原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所所長、教授葉慶富

胡 鑫

“民以食為天，食以安為先”。隨著生活水平的不斷提高，人們對食品安全問題越來越敏感，甚至“談農(nóng)藥色變”。農(nóng)藥、化肥等人工合成物質(zhì)是現(xiàn)代文明的產(chǎn)物，農(nóng)藥的使用對防治病蟲草害和糧食增產(chǎn)起著重要作用，促進了世界農(nóng)業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。改革開放40多年以來，正是由于農(nóng)藥對病蟲害的有效控制，才使農(nóng)產(chǎn)品保持高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，確保了我國在有限的耕地面積上生產(chǎn)出可供14億人口生存所需的農(nóng)產(chǎn)品。農(nóng)藥對人類的貢獻是有目共睹的。但是，農(nóng)藥同時是一把雙刃劍，作為有毒化學(xué)品，長期大量地使用，在得到效益的同時，也造成了一些負面效應(yīng)。20世紀60年代初，農(nóng)藥的廣泛應(yīng)用雖然減輕了病蟲害造成的損失，使糧食增產(chǎn)，但大量使用農(nóng)藥也導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品的污染，因農(nóng)藥殘留導(dǎo)致人畜中毒事件時有發(fā)生。20世紀70年代初，浙江就發(fā)生了轟動全國的有機砷“稻腳青”使用過量導(dǎo)致的人畜中毒事件。

葉慶富利用同位素成像技術(shù)分析農(nóng)藥在植物中的殘留分布

事實上，每年數(shù)以百萬噸計的化學(xué)農(nóng)藥投入農(nóng)田，除少量達到作用外，大部分滯留于環(huán)境中，遷移、轉(zhuǎn)化和重新分布，產(chǎn)生多種物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)，這些物質(zhì)盡管含量較微，但其導(dǎo)致的生物效應(yīng)和生態(tài)環(huán)境風險不容忽視。因此，研究農(nóng)藥在不同生態(tài)環(huán)境體系中的殘留和代謝規(guī)律，是農(nóng)藥科學(xué)合理使用的前提。在這一領(lǐng)域中，放射性同位素示蹤技術(shù)以其獨特的技術(shù)優(yōu)勢成為國際公認的研究農(nóng)藥環(huán)境行為及其殘留代謝等的最有效手段之一。有了放射性同位素示蹤技術(shù)，就可以全面跟蹤農(nóng)藥施用、作物吸收與轉(zhuǎn)化、環(huán)境污染演變的全過程變化，就像給汽車裝上GPS定位儀器才能進行衛(wèi)星定位跟蹤一樣，給農(nóng)藥加裝核素標記，就可以跟蹤農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的行為與歸趨。我國自20世紀60年代開始，在核農(nóng)學(xué)事業(yè)開拓者之一、浙江大學(xué)原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所（以下簡稱“核農(nóng)所”）創(chuàng)始人陳子元院士的帶領(lǐng)下，利用放射性同位素標記化合物進行有關(guān)農(nóng)藥殘留方面的研究，通過43個單位、百余名科技人員的協(xié)同作戰(zhàn)，制定了我國首批69項農(nóng)藥安全使用標準，為全國農(nóng)藥的安全合理使用提供了科學(xué)依據(jù)。

初識“核農(nóng)”，打磨“核與非核技術(shù)”利劍

1984年，剛剛走出北京農(nóng)業(yè)大學(xué)（現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)）校門的葉慶富，加入了由陳院士領(lǐng)導(dǎo)的浙江大學(xué)核農(nóng)所，開始了他與核技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用的不解之緣。當時的核農(nóng)所科研設(shè)施條件居國內(nèi)前列，擁有一批進口和國產(chǎn)的放射測量儀器設(shè)備。1985年，在世界銀行貸款的幫助下，核農(nóng)所又購置了國內(nèi)首批高效液相色譜儀（Waters 510和Waters 490）。為了保障當時國內(nèi)最前沿的精密設(shè)備正常運行，參加工作不滿一年、擅長與儀器打交道的葉慶富，迎難而上，成為所里負責這些精密儀器維修和維護的不二人選。要知道，在那個年代，科研條件遠不如現(xiàn)在，儀器維修并不是簡單的更換主板、備件這么輕松，而是需要逐個尋找電路故障，用電烙鐵手工更換焊接元器件的。經(jīng)過多年的攻堅克難，小到定標器，大到液體閃爍測量儀和高效液相色譜儀，都在他手中服服帖帖。就這樣，一面跟著老一輩“核農(nóng)人”學(xué)習(xí)著高大上的“同位素示蹤技術(shù)”，一面對照復(fù)雜電路圖干著電工的“小活”，葉慶富慢慢成長為所里唯一一個又懂得放射性同位素示蹤技術(shù)，又精通非核分析技術(shù)的科技人員，這為他后來的研究打磨好了“核與非核技術(shù)”的利劍。

堅守“核農(nóng)”陣地，傳承“示蹤薪火”

我國核農(nóng)學(xué)事業(yè)的發(fā)展并不總是一帆風順的。核農(nóng)學(xué)領(lǐng)域在“九五”和“十五”的十年間，幾乎未得到國家和各級政府的科研經(jīng)費支持。因此，國內(nèi)原先從事放射性同位素示蹤研究的單位進行了組織機構(gòu)調(diào)整，中國農(nóng)科院和省市農(nóng)科院的原子能利用研究所紛紛被撤銷或被合并，各單位原有的非密封性放射性實驗室也大多被關(guān)停。加之國內(nèi)一大批核技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)家前輩的退居二線，部分新生代科技人員常有“恐核”心理，使國內(nèi)繼續(xù)從事放射性同位素示蹤研究的人才嚴重匱乏。葉慶富的部分同事也調(diào)離單位。在此背景下，如何堅守“核農(nóng)”陣地，傳承“示蹤薪火”，成為擺在葉慶富面前的嚴峻考驗。

在此期間，適逢國內(nèi)外轉(zhuǎn)基因研究熱潮，在該領(lǐng)域，國家有較充足的科研經(jīng)費投入。葉慶富帶領(lǐng)團隊，通過調(diào)整研究方向及策略以謀求生存，將放射性同位素示蹤技術(shù)應(yīng)用到轉(zhuǎn)基因作物環(huán)境安全性研究。在國家自然科學(xué)基金等項目的支持下，圍繞Bt轉(zhuǎn)基因水稻根系分泌物、cry1Ab基因和hpt基因表達產(chǎn)物等的環(huán)境行為與生態(tài)效應(yīng)開展研究，相關(guān)研究成果先后發(fā)表于Soil Biology &Biochemistry、Journal of Agricultural and Food Chemistry、Environmental Pollution等農(nóng)業(yè)與環(huán)境領(lǐng)域頂級刊物。這不僅拓寬了核農(nóng)學(xué)的研究領(lǐng)域，穩(wěn)定了一支同位素示蹤科研隊伍，還為示蹤事業(yè)再創(chuàng)輝煌保存了薪火。

核與非核聯(lián)用，揭開農(nóng)藥代謝物神秘面紗

葉慶富始終認為，單純依賴同位素示蹤技術(shù)并不能“包打天下”。早期老一輩核農(nóng)學(xué)科研人受技術(shù)條件所限，僅靠同位素示蹤技術(shù)只能準確分析農(nóng)藥母體殘留量，但無法明確由母體轉(zhuǎn)化生成的各種代謝產(chǎn)物，在農(nóng)藥的動植物代謝和環(huán)境代謝研究中存在明顯的技術(shù)局限性。隨著現(xiàn)代非核儀器分析技術(shù)的快速發(fā)展，葉慶富敏銳地察覺了部分新興的非核儀器分析技術(shù)與放射性同位素示蹤技術(shù)交叉融合在農(nóng)藥代謝研究中將形成獨特的技術(shù)優(yōu)勢。他帶領(lǐng)課題組將經(jīng)典的同位素示蹤技術(shù)與其他非核前沿儀器分析技術(shù)有機結(jié)合，在國內(nèi)率先將高效液相色譜、高分辨質(zhì)譜以及色質(zhì)聯(lián)用技術(shù)與放射性測量、同位素成像以及放射性生物樣品高效轉(zhuǎn)化技術(shù)等嘗試進行集成，經(jīng)過多年的努力，終于建立了一套基于核與非核聯(lián)用技術(shù)的代謝研究方法。該技術(shù)一方面可針對性的取舍目標物（放射性代謝物）和雜質(zhì)（非放射性物質(zhì)），另一方面不易丟失微量代謝物，使代謝物的組成鑒定更為科學(xué)可靠；在分子結(jié)構(gòu)鑒定中，可利用放射性特征峰確定目標組分的保留時間，進而有針對性地進行后續(xù)分子結(jié)構(gòu)鑒定工作，使代謝物解析由復(fù)雜趨于簡單。最終形成了一套農(nóng)藥代謝物針對性溯源、組成精準甄別與分子結(jié)構(gòu)鑒定技術(shù)體系，該技術(shù)體系已接近國際頂尖水平。

在農(nóng)業(yè)部公益性農(nóng)業(yè)行業(yè)科研專項、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目、國家重點研發(fā)計劃、國家基金重點項目、國際合作項目、面上項目等課題資助下，葉慶富率領(lǐng)的團隊，圍繞常用農(nóng)藥（甲磺隆、綠磺隆、莠去津、乙草胺、多菌靈）和我國創(chuàng)制農(nóng)藥（丙酯草醚、唑菌酯、哌蟲啶、環(huán)氧蟲啶、苯醚菌酯、毒氟磷、香草硫縮病醚等）在植物-土壤-水體內(nèi)遷移轉(zhuǎn)化、吸收運轉(zhuǎn)、代謝降解及其對生態(tài)環(huán)境與人體健康的影響，農(nóng)藥同位素標記化合物合成與應(yīng)用及農(nóng)藥“減藥增效”相關(guān)技術(shù)等，開展了一系列研究，創(chuàng)建了基于同位素示蹤技術(shù)的農(nóng)藥代謝降解、環(huán)境歸趨、生物風險評估研究平臺，形成了一套國內(nèi)領(lǐng)先的研究方法與技術(shù)體系。迄今為止，葉慶富團隊已在Environmental Science & Technology、Journal of Hazardous Materials和核農(nóng)學(xué)報等國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文200余篇，其中，IF＞5的SCI論文50余篇。

對標國際標準，護航農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全

給研究生講授核與非核聯(lián)用技術(shù)

當前，我國現(xiàn)有農(nóng)藥生產(chǎn)企業(yè)近4000家，農(nóng)藥登記產(chǎn)品3萬多個，是世界最大的農(nóng)藥生產(chǎn)、使用和出口國，農(nóng)藥管理與國際接軌的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)，農(nóng)藥安全評價已然成為十分重要的課題。近十幾年來，我國新農(nóng)藥的自主創(chuàng)制明顯提速，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已獲得正式登記的自主創(chuàng)制農(nóng)藥20多個，但市場份額占比極低。因此，要實現(xiàn)我國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)的騰飛，關(guān)鍵在于自主新農(nóng)藥的源頭創(chuàng)新。需要強調(diào)的是，擬登記農(nóng)藥在農(nóng)作物中的代謝、動物代謝和環(huán)境代謝等試驗是其進入市場前不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其目的是客觀反映新農(nóng)藥的生態(tài)健康風險，是判斷農(nóng)藥能否最終走向市場的第一要素。

就農(nóng)藥登記代謝試驗與安全性評價技術(shù)而言，我國當前主流技術(shù)與發(fā)達國家前沿技術(shù)水平之間尚存在顯著差距。美國EPA、OECD等發(fā)布的有關(guān)農(nóng)藥代謝試驗導(dǎo)則中均指出：代謝試驗需首先考慮核與非核聯(lián)用技術(shù)。所謂核與非核聯(lián)用技術(shù)是指，在經(jīng)典同位素示蹤技術(shù)基礎(chǔ)上，通過核技術(shù)與非核前沿儀器分析技術(shù)交叉融合而形成的一種具有溯源追蹤、痕量精準特征的現(xiàn)代分析測試技術(shù)。該技術(shù)在歐美等發(fā)達國家已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、環(huán)境、生物醫(yī)藥和食品等多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，成為發(fā)達國家國際貿(mào)易技術(shù)壁壘的手段之一。核與非核聯(lián)用技術(shù)不僅可在農(nóng)藥優(yōu)選設(shè)計階段，用于揭示先導(dǎo)化合物的代謝特征，以引導(dǎo)候選藥物分子設(shè)計，降低候選藥物的淘汰率；在新農(nóng)藥代謝試驗階段，通過放射性標記化合物的引入，可以獲得更為詳盡的代謝試驗數(shù)據(jù)。

以往，我國對擬登記農(nóng)藥的評估，主要停留在母體化合物層面，而對其在農(nóng)作物、動物和環(huán)境中的代謝評估未做專門要求。隨著國民對食品安全、生態(tài)健康訴求的日益高漲，農(nóng)藥登記管理政策和技術(shù)標準與國際接軌勢在必行。2013年，葉慶富以農(nóng)藥代謝領(lǐng)域首席科學(xué)家的身份，協(xié)助農(nóng)業(yè)部藥檢所在杭州組織了“國內(nèi)農(nóng)藥殘留代謝試驗準則專家研討會”。該會議首次明確了我國農(nóng)藥安全評判標準與國際接軌以及我國農(nóng)藥登記新政策的落地實施計劃，并促進了《NYT3096-2017農(nóng)作物中農(nóng)藥代謝試驗準則》的制定實施，同時也為基于同位素示蹤技術(shù)的環(huán)境歸趨試驗和動物代謝試驗奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著《農(nóng)藥登記資料要求》（農(nóng)業(yè)部公告第2569號）的頒布實施，新的登記資料明確要求，農(nóng)藥登記環(huán)境歸趨試驗、動植物代謝試驗都指定采用核與非核聯(lián)用技術(shù)，這意味著核與非核聯(lián)用技術(shù)將在我國經(jīng)濟社會發(fā)展中做出新的更大的貢獻。葉慶富信心滿滿地說：“核與非核聯(lián)用技術(shù)相關(guān)的科學(xué)研究與人才培養(yǎng)越來越得到關(guān)注，核農(nóng)學(xué)事業(yè)將會迎來新的發(fā)展機遇?！?/p>